（环境工程专业论文）基于gis的矿山废弃地生态恢复规划方法研究.pdf

摘 要 i 摘 要 矿山废弃地占用大量土地资源，日益加剧我国人多地少的矛盾，并且造成其 周边地区生态系统的严重破坏。因此，对矿山废弃地生态恢复的研究具有重要的 实际意义，同时也是当前生态环境保护面临的紧迫任务。 本文总结了国内外矿山废弃地生态恢复的研究现状， 进行了矿山废弃地生态 恢复技术的研究；以沙河市白塔镇的矿山废弃地为研究对象，根据矿山废弃地生 态破坏的实际情况，讨论生态适宜性评价模式，进而分析矿山废弃地的生态适宜 性，提出矿山废弃地生态恢复的通用规划方法；开发了沙河市白塔镇矿山废弃地 生态恢复规划信息系统，系统利用地理信息系统（gis）技术结合生态恢复理论， 对矿山废弃地进行各种应用分析和决策，展示各阶段的恢复治理成果，实现矿山 废弃地的可持续发展，同时可进行与地理位置相关信息的快速查询与定位，动态 提取相关信息，实现图形数据与属性数据的双向查询，为工程规划管理提供一种 方便、快捷、有效的工具。 地理信息系统技术作为发展“数字地球”的主要数字技术之一，以其强有力 的空间信息存储、分析、管理能力被日益广泛地应用于社会的众多领域。地理信 息系统使用计算机技术管理和分析空间数据，对图、文信息进行有效集成，将结 果可视化，面向办公自动化管理，大幅度提高了人们的信息处理能力和治理规划 的管理水平，为科学管理与决策提供了一种重要手段。 关键词：矿山废弃地；生态恢复；复垦；生态适宜性分析；规划；地理信息系统 abstract ii abstract the mining wasteland takes the massive land resources and intensifies the contradiction between people and land in our country day by day. meanwhile, the ecosystem of peripheral areas is destroyed seriously due to its exit. thereby, the study on programming method of the ecological restoration in mining wasteland has important practical significance. at the same time, it is also the urgent duty to which the current ecological environment protection faces. the present research situation of ecological restoration in mining wasteland is summarized, and the study on the technical of ecological restoration is also carried on in the article. the study takes the mine in baita zhen of shahe city as the research object, discusses the ecology fitting evaluation, analyzes the ecology fittingof mining wasteland furthermore and proposes an ecological restoration method to the mining wasteland. the ecological-restoration program information system in baita zhen of shahe city is developed. the system carries on each kind of applied analysis and intelligent decision-making using the geographic information system (gis) technical and the ecorestoration theory. the achievements in various stages are demonstrated and the sustainable development of mining wasteland is achieved. the system is not only able to carry on the fast inquiry and the localization of correlated information to the geographical position, but also realizes the bidirection between the graph data and attribute data through extracting correlated information. the system provides a convenient, rapid and effective tool to the project program management. the geographic information system one of the main digital technologies to develop “digital earth” is widely applied to societys multitude fields day by day because of its powerful space information storage, the analysis, and the management ability. the geographic information system uses computer technical to manage and analyze the space data. it makes the result visible through compounding the chart and text information, so office automation can be achieved. peoples information-handling capacity and the planning-management level are heightened and an important method to scientific management and decision-making is provided. keywords： mining wasteland; ecological restoration; re-cultivation; ecological suitability analysis; program method; gis 独创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得河北工程大学河北工程大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北工程大学河北工程大学 有关保留、使用学位论文的 规定。 特授权 河北工程大学河北工程大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 第 1 章 绪 论 1 第1章 绪 论 1.1 引言 矿山废弃地占地面积广，侵占大量的土地资源，加剧我国人多地少的矛盾。 由矿山废弃地引起的环境问题，已不是一个单纯的环境污染问题，而是关系到一 个国家、民族经济发展和人类生存的根本性问题。近年来，矿山废弃地对环境的 危害和对区域可持续发展的影响日益受到人们的重视， 对矿山废弃地进行生态恢 复及恢复技术的研究受到世界各国的普遍关注， 已成为国际上恢复生态学的一个 研究热点。 1.2 科学意义 由于矿山废弃地对周边地区生态环境造成严重的破坏， 因此迫切需要对矿山 废弃地进行生态恢复。国外对矿山废弃地的生态恢复十分重视，长期以来在研究 和实践上开展了大量的工作，并制定了有关的法律和法规。目前我国矿山废弃地 的生态恢复工作总体上还处于初期阶段， 在我国大力开展矿山废弃地的生态恢复 工作是当务之急 1。 在理论研究发面， 生态学中的生物与土壤因素的相互作用， 种内、 种间关系、 群落的集合过程与机理、多样性与稳定性关系、生态系统演替等重大理论问题， 都可以通过对矿山废弃地的生态恢复的实践得到检验、发展和补充。 以 gis 技术为核心开展矿山废弃地生态恢复规划研究， 对不断积累和动态变 化的大量多元空间信息数据进行组织管理，并将之可视化地表述出来，可以动态 地进行生态恢复规划，促进规划管理的现代化、规划信息的可视化，实现规划的 准确性和有效性，有利于矿山地区生态的可持续发展。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 国外研究现状 国外矿山废弃地生态恢复研究推动了恢复生态学的发展，英、美、澳等发达 国家最初在恢复生态学方面的工作主要集中在开矿后废弃地植被的恢复。20 世 纪 80 年代以来，随着各类生态系统的退化以及相继引发的环境问题加剧，国外 河北工程大学硕士学位论文 2 开始注重对不同退化生态系统(主要是采矿废弃地)的恢复恢复的研究。 1973 年 3 月，在美国弗吉尼亚理工大学召开了题为“受害生态系统的恢复” 国际会议，第一次专门讨论了受害生态系统的恢复和重建等重要的生态学问题。 日本人宫胁昭通过改造土壤， 利用乡土树种， 在较短时间内建立起顶级群落类型， 其方法被称为“miyawakimethod”。 1980 年， bradshaw 和 chdwick 出版了 the restoration of land， the ecology and reclamation of derelict and degraded land，从不同角度总结了生态恢复过 程中理论和应用问题。1987 年，jordan 等人出版了restoration ecology， a synthetic approach to ecological research，认为恢复生态学是从生态系统层次 上考虑和解决问题，恢复过程是人工设计的；在人的参与下，一些生态系统可以 恢复、改建和重建。 1993 年，restoration ecology杂志创刊，标志着恢复生态学走向成熟。 1996 年在美国召开了国际恢复生态学会议，专门探讨了矿山废弃地的生态恢复 问题。 近年来耐重金属污染植物物种的筛选及其蕴藏的基因资源受到科学界的普 遍关注，人们开始利用现代生物技术克隆耐重金属污染的基因，试图培育出适于 在重金属污染土壤上生长的植物种类。 1.3.2 国内研究现状 在我国，有关矿山废弃地生态恢复的理论研究起步于 20 世纪 80 年代，但在 90 年代以后才初具规模。近十年来有关矿山废弃地土地复垦的研究有了突飞猛 进的发展。经过近 20 年的实践，我国已经引进和开发了一系列适合在我国推广 应用的矿山废弃地生态恢复的实用技术，如“剥、采、复三位一体”、“挖深填 浅”、“降酸培肥”、“恢复区生态农业建设”以及与之配套的矿山土地生态恢 复规划、设计技术 2-4。 何书金和苏光全筛选出了影响矿山废弃土地复垦潜力的自然和社会经济条 件方面的 4 类 14 个亚类因子，并划分为 6 个等级，为全国矿山废弃地复垦潜力 的评价及矿山废弃地有效合理利用提供了参考。 孙泰森和白中科对平朔安太堡露天煤矿土地复垦系统开展了以下几个方面 的研究：矿山生态系统演变的阶段、类型、过程对效益的影响；矿山土地利用结 构调整及耕地总量动态平衡； 矿山未来空间待复垦土地适宜性评价单元类型的划 分；矿山土地复垦与生态恢复规划的方法。 戈峰等发现蚯蚓对铜矿中的铜元素富集能力很强，可达体内组织的 82.5-1218.4mg/kg；铜矿尾砂土和复垦土中加入蚯蚓和蚓粪后，西红柿的茎长、 第 1 章 绪 论 3 根长和干重均明显高于对照 5。 龙健等通过对浙江哩铺铜矿废弃地复垦土壤的微生物特征的观察发现， 矿山 复垦土壤微生物区系发生明显改变。矿山土壤在重金属胁迫下，土壤中 c、n 营 养元素循环速率和能量流动被削弱了 6。陈芳清等发现，磷矿废弃地演替植物群 落的形成是先锋植物种类入侵、定居、群居和竞争的结果。在植物群落形成与演 替的过程中，各种类成分的种群数量及综合优势比呈动态变化 7。刘世忠等研究 了名北排油页岩废渣堆放场 670hm2次生裸地的自然恢复的植被演替，发现群落 结构及组成种类简单，处于群落次生演替的前期阶段，表明废渣场次生裸地的植 被为一些抗逆性强的先锋植物。因此，矿山废弃地必须辅以人工措施加速植被的 恢复进程 8。 在煤矿方面， 中国矿业大学对开采沉陷耕地破坏的机制及其复垦对策提出了 一些新技术：初步探明了采煤沉陷与耕地生产力的下降机理；总结了开采沉陷地 对耕地景观的破坏特征和规律性及其与地表沉陷与变形的相关关系； 提出了从沉 陷地资源合理利用和复垦管理到复垦工程技术诸多方面的对策，如“分层剥离、 交错回填”等；提出了复垦工程的成本、效益的计算公式和经济评价方法；土壤 改良的生物技术和矸石块速熟化技术等。 中国矿业大学等单位的研究人员开创性地研究和综合运用 3s 技术，土地科 学、土壤学、生态学、采矿工程学等理论与方法，开展了“采煤驱动下土地生态 系统演变的监测及恢复的理论与综合技术”研究， 所取得的矿山土地生态系统演 变的动态监测以及生态恢复等方面的研究成果。 中山大学和香港浸会大学的有关有色金属矿山废弃地的生态恢复的理论与 技术也取得了一系列成果，如：提出了尾矿影响植物定居的主要限制因子及其改 良措施； 通过生态调查和试验手段， 筛选出多种可用于尾矿生态恢复的植物种类； 发展了尾矿酸化的快速、准确的预测方法，并提出相应的控制酸化措施；深入讨 论尾矿植物自然定居的过程和机理，丰富了恢复生态学理论；应用豆科植物和菌 根、引入土壤种子库对矿山废弃地植被恢复的作用；研究了重金属在重建植被过 程中的迁移、积累规律；利用人工湿地处理金属矿山废水的研究也取得了长足的 进展等 9。 研究人员利用卫星遥感和 gps 等技术，进行矿山土地生态系统演变的综合 动态监测与分析评价， 获取土地生态系统演变的相关信息(mreis)， 可有效应用 于矿图扫描数字化，矿山土地生态系统演变信息的分析处理评价，三维景观模拟 及生态恢复和规划决策 10。 目前，矿山废弃地生态恢复规划与 gis 的结合研究还很少见到 11-12。基于 gis 的生态恢复规划系统的开发，不仅可以实现对矿山废弃地的客观有效的管 河北工程大学硕士学位论文 4 理，提供多种生态恢复技术方案，更便于环境管理部门对所管辖区域进行客观有 效的管理和及时决策。 1.4 gis 对于矿山废弃地生态恢复规划研究的重要意义 由于采矿后对矿山废弃地的治理与规划利用不及时，导致矿山废弃地对环 境的影响也越来越大，矿山环境问题已逐渐受到环境部门的重视。近几年来， 国家投入大量的人力、物力、财力进行矿山废弃地土地整治、复垦等工作。目 前，矿山废弃地对环境的影响及其生态恢复技术和规划已逐渐成为矿山废弃地 研究课题的重要组成部分。 土地复垦是使矿山废弃地土地实现再利用的重要工作，1988 年国务院就发 布了“土地复垦规定”，明确规定由于开发生产资源引起的塌陷地，必须进行 土地复垦，即采取整治措施，使其恢复到可供利用的状态，并规定“谁破坏， 谁复垦”，使土地复垦成为一项重要的环境治理工作。土地复垦的目标是恢复 利用被采矿破坏的土地，消除或防治因土地破坏带来的各种危害，力求减轻受 害程度和减小危害范围，有效恢复土地使用价值和生产力。 而对矿山废弃地进行土地复垦或进行全面的生态恢复，需要处理的数据涉 及地质、地形、土壤、生物、社会经济等众多领域，数据信息量大、相互之间 关系复杂。 由于各种信息之间具有时间与空间的联系， gis 作为目前处理空间数 据最有效的工具，成为了进行矿山废弃地生态恢复规划研究的理想平台。gis 作为传统学科与现代计算机科学相结合的产物，正在逐步发展成为一门处理空 间数据的现代化综合性学科。 急剧增加的信息量给人们规划管理时带来的不便可通过gis平台得到解决， gis 可以方便地采集图件上的数据， 提高了数据的采集速度， 并且将空间数据和 属性数据分别储存，便于数据的管理和使用。在地理信息系统中，各种数据都 是分类分层来存储的，查询极为方便，可以大大减少工作量，而且决策者可以 直观的进行方案的决策。基于 gis 的矿山废弃地生态恢复规划将成为恢复矿山 生态系统的发展方向，最终使矿山生态环境进入良性循环，实现能量流动和信 息畅通，在被破坏的土地上建立一种多层次、多结构、多功能的集约经营管理 的综合农业和生产体系，以最少的人力投入取得最大的经济、环境和社会效益。 1.5 应用前景 1.5.1 矿山废弃地生态恢复技术的应用前景 第 1 章 绪 论 5 生态恢复并不意味着在现有条件下恢复为原来的生态系统， 其关键是恢复生 态系统必要的结构和功能，这是矿山废弃地生态恢复的指导思想。矿山废弃地生 态恢复在未来会有广阔的应用前景： (1) 矿山废弃地重金属污染一般较重， 常见植物的生长发育尤其是农作物对 重金属污染很敏感，但目前发现的耐重金属污染植物种类较少，因此筛选新的耐 重金属污染或超富集重金属的植物物种， 对废弃地的植被恢复具有重要的理论意 义和实践价值。 (2) 矿山废弃地生态恢复的研究与实践不仅能在水分条件相对较好的地区 进行，也能够在干旱半干旱地区进行。干旱半干旱地区生态系统脆弱，大面积的 土地成为矿山废弃地，更容易引发一些生态环境问题，如果让其自然恢复需要很 长的时间，生态恢复的难度较大。因此，加强干旱半干旱地区矿山废弃地生态恢 复的理论与实践研究，将成为一个新的研究热点。 (3) 对矿山废弃地生态恢复所面临的共同问题， 特别是西部地区矿山废弃地 的共性问题进行研究。我国西部大开发战略的实施，对于促进全国的经济发展将 起着重要的战略作用，这些地区蕴藏着十分丰富的煤炭、石油、天然气、铜、铁、 锌、锰、金、银、铂、钾、磷等矿产资源。但是，我国西部生态系统较为脆弱， 由矿山开采所引发的生态环境问题已经引起了社会各界人士的重视。 如何根据植 物与土壤的关系将矿山废弃地划分为不同的类型， 并在此基础上研究不同类型的 废弃地与植物的相互关系， 进而探讨出土地复垦和植被恢复的方法并加以必要的 人工辅助措施，这将是今后矿山废弃地生态恢复机制研究的重点。 1.5.2 gis 系统在矿山废弃地生态恢复中的应用前景 随着社会经济的发展，计算机与网络技术被迅速推广，数字化产品得到广泛 的应用，信息化浪潮正从根本上改变着人们的生产与生活方式，对信息收集、信 息化管理起到了极大的推动作用。gis 在近年来取得了飞速发展，被广泛应用于 资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通安全等领域，作为一 种通用技术，它成为矿山废弃地生态恢复规划的一种新方式，为其提供了技术支 持。利用矿山废弃地的空间信息为生态恢复规划与管理提供服务，促进生态恢复 规划的现代化， 与 gis 相结合的矿山废弃地生态恢复规划信息系统的建设将成为 今后矿山信息系统发展的主要趋势。 1.6 本文研究内容 （1）对矿山废弃地的有关资料进行收集，并进行现场监测及测试； 河北工程大学硕士学位论文 6 （2）以矿山废弃地土地复垦和植被恢复为重点研究内容，进行矿山废弃地 生态恢复技术的研究，并对研究区域土地适宜性进行分析； （3）在矿山废弃地生态恢复技术适宜性研究的基础上，对生态恢复规划的 概念和范畴进行探讨，建立生态恢复的通用规划方法； （4）开发研制矿山废弃地生态恢复规划与 gis 的整合系统，实现矿山废弃 地生态恢复规划的可视化。 第 2 章 矿山废气地生态恢复技术 7 第 2 章 矿山废弃地生态恢复技术 2.1 矿山废弃地对环境的影响 矿山废弃地对环境的影响是多方面的，包括重金属和其他毒性物质对大气、 水体、土壤和生物的污染，同时诱发地质灾害，影响环境景观，而且这种影响具 有普遍性、严重性、持久性和区域性等特点。 2.1.1 对大气的污染 矿山废弃地的风扬现象是区域性污染的主要来源，其次还有人为的扰动等。 风扬和大气沉降都是污染物扩散并进入环境的重要途径。 大量的扬尘污染水体和 土壤，其粉尘覆盖对植物也有不良的影响，如阻隔阳光、堵塞气孔，从而影响植 物的呼吸和光合作用。大量吸入粉尘，会造成人体健康的受损，尤其是呼吸道、 肺部的病变。 2.1.2 对水环境的污染 一般来讲，矿山废弃地的水质具有酸度高，悬浮物浓度大、重金属含量高等 特点。矿山废弃物的含硫量较高，废弃物酸化导致土壤酸化和大量酸性废水的产 生。在 ph 值较低的条件下，水体明显地富集可溶性的 fe、mn、ca、mg、al、 硫酸根以及一些重金属元素，如 pb、zn、cu、ni 和 cd 等。 2.1.3 对土壤环境的影响 矿山开采后受影响最为严重的是矿山地区的土壤环境，其周围水环境、大气 环境、地表植被等均受到不同程度的影响与破坏。现代化的大生产，在生产过程 中破坏的土地面积可达数平方公里到几十、 几百平方公里， 地貌改变、 河流改道、 植物群落消灭、土地不能利用、土壤无生产能力，最严重的可使土壤全部失去。 2.1.4 对景观的影响 矿山废弃地一般都会给当地的自然环境景观造成不同程度的破坏， 具体可归 结为以下几个方面：（1）采掘及土方工程对地貌的破坏；（2）废石和废土堆存 对景观的破坏；（3）尾矿对景观的破坏；（4）外排污染物对景观的影响。尾矿 库溢流水、废石堆经雨水淋溶形成的蚀流，常常使河流出现颜色杂乱的污染带。 河北工程大学硕士学位论文 8 2.1.5 对地质环境的影响 矿山开采使地下采空、矿坑积水，诱发矿山地质灾害，造成大量人员伤亡和 经济损失，开采塌陷是我国煤炭开采破坏土地的主要形式 13-14。由于地下采空， 地面及边坡开挖影响了山体和斜坡的稳定，导致开裂、崩塌和滑坡等地质灾害。 2.1.6 对生物群落的破坏 在勘矿、采矿引起的地表与地下的扰动对生物群落造成很大危害之后，矿山 废弃地继续加强这种破坏， 造成废弃地周围甚至更大范围内生物多样性的减少和 生态平衡的失调，严重时甚至会造成区域性物种灭绝。 2.1.7 矿渣废弃物堆放引起的主要环境地质问题 2.1.7.1 矿渣废弃物崩塌、滑坡、泥石流 任意堆放在地面上，特别是斜坡上的矿渣废弃物往往成份混杂、松散，稳定 性极差，可能引起的最大环境地质问题是崩塌、滑坡及泥石流，对附近村庄、农 田及交通线造成危害，并可抬高下游河床，造成更大范围的危害。这种环境地质 问题在汉源石棉的大渡河两岸就很普遍， 如丰乐乡三星村花岗石矿废弃物引起 的泥石流危害， 堡子滑坡造成的危害以及新康监狱大洪沟石棉矿排渣场对石棉县 的威胁等，叙永大树硫铁矿矿渣对叙永上游河床的垫高等。 2.1.7.2 矿渣废弃物产生液体及气体 任意堆放的矿渣废弃物包括矿床围岩及废矿，成份复杂，在与渗入的大气降 水作用下，可释放出不同液体及气体，包括有害液体和气体，如不加以控制，将 对附近及下游空气及地表水、地下水造成污染。如大树硫铁矿废渣对下游地表水 的污染，对附近空气的污染，很多煤矿对下游河水的污染等。 2.1.7.3 矿渣废弃物自燃对环境的影响 煤矸石堆积区和富含黄铁矿成份的铁矿石堆积区， 时有废石堆自燃和助燃现 象发生， 它不仅引起新的环境污染， 而且还危及矿区生产和矿区周围居民的安全， 如果在林木较多的地区处理不当，还可能引起森林大火。 2.2 边坡稳定性评价方法 边坡变形破坏的种类有滑坡，崩塌，剥落，土爬等，实际中常见的是滑坡、 崩塌两种。为了弄清楚影响边坡稳定性的因素，为判断边坡稳定性或设计新边坡 第 2 章 矿山废气地生态恢复技术 9 提供资料，避免边坡失稳，需要对边坡的稳定性进行评价。边坡稳定性评价方法 很多，下面针对我们实际工作中较普遍运用的几种方法作简单的介绍： (1) 演变历史分析法：即通过边坡的现状调查，根据边坡变形破坏的基本规 律来判断边坡变形处于何种变形阶段， 从而对边坡稳定性发展的趋势做出评价和 预测。这种方法在我们进行一般性调查评价时常用。边坡的变形破坏一般经过几 个过程，不同变形破坏形式其经过的过程也不同（在此不再叙述） 。但可以大致 总结出三大阶段，即蠕动变形阶段、滑动破坏阶段、压密稳定阶段。 (2) 工程地质类比法： 无论在边坡设计还是稳定性评价中工程地质类比法一 致是常用的传统方法，尽管它加入了工程人员的工作经验成分，但其评价结果还 是可行的，特别是在进行一般性调查评价时常用：本方法实质是将已有的自然或 人工边坡的研究或设计经验通过类比应用到条件相似的新的自然或人工边坡的 研究或设计中去。 “条件相似”指边坡形成演变过程中的各种条件，大到大气降 雨地形地貌，小到岩土体物理力学特征。在工程实践中，我国许多部门总结出了 各类岩土体边坡容许坡度经验值。 (3) 模拟法：即将控制边坡的参数和边坡的几何形状进行估算，并将估算结 果进行模型分析，以确定最安全的开挖边坡模式，方法又可分为物理模拟法和数 学模拟法，物理模拟法在实际中很少用，而数学模拟则因成本低，速度快，灵活 而常用。 数学模拟又分为应力-应变分析法和极限平衡分析法，有限单元法为应力- 应变分析法的一种分析形式， 计算机的日益普及使得繁杂计算的有限单元法成为 常用的方法，该方法把岩土体看作一个连续体，将计算对象划分成许多三角形或 矩形单元，这些单元的角或点彼此连接，产生相同位移，假设每个单元均匀，将 结合位移作为基本未知参数来求解。 极限平衡分析法： 1 稳定 基本原理 k=抗滑力/不滑力 = 1 极限平衡 1 失稳 在进行极限平衡分析时，依据不同的滑面形状，大致可分成： a. 滑面为平面直线型 b. 滑面为两面及以上切割的楔体边坡破坏形式：此形式除采用极限平衡理 论计算外，还可用空间赤平投影法初步判定其稳定性。 c. 滑面为折线阶梯形：多出现在岩质边坡中，在具体计算时进行分条计算， 先求每条稳定性，再据每条力的相互传递关系求整体稳定性。 d. 园弧型面滑：主要是土质边坡中常出现，常用的计算方法有： 河北工程大学硕士学位论文 10 瑞典条分法、毕肖普法、综合 c法等。 每种方法都有其适用条件和范围， 因此实际运用中必须首先搞清边坡的边界 条件，各种影响边坡的因素，才能得出符合实际的结论。 2.3 对矿渣废弃物堆放引起的环境地质问题的防治对策 2.3.1 合理规划，设计矿渣废弃物堆放场所 对于任何矿山，在开发利用前应进行必要的矿山地质环境影响评价，在开发 利用规划及设计中应同时考虑矿渣废弃物的合理堆放问题， 对堆放场所进行必要 的规划与设计，堆放场所的大小应足以满足长期堆放的需要，位置应避免产生滑 坡、崩塌、泥石流及其对环境的污染影响，并需修建必要的挡墙、堤、坝及污水 处理设施等。 2.3.2 对已形成的矿渣堆放应进行适当的处理 对于已形成矿渣堆放的矿山，应进行必要矿山地质环境影响评价，针对矿渣 堆放可能的危害，采取经济合理的工程措施进行防治处理。 2.3.3 矿山废弃物的资源化与管理 很多矿山废弃物还具有较丰富的矿产资源和综合利用价值， 因此矿山废弃物 的再利用和优化管理是非常必要的， 这将成为矿渣废弃物堆放引起的环境地质问 题的最好防治办法。 2.4 塌陷区的恢复治理技术 2.4.1 疏干法 采用合理的排水措施，使塌陷地中的积水排干，再加以必要的整修工程，使 采煤塌陷地不再积水并得以恢复利用，这种工程措施称之为疏干法。它往往用于 潜水位不太高、地表下沉不大，且正常的排水措施和地表整修工程就能保证土地 恢复利用的塌陷区，其优点是投资少、见效快，且不改变土地的原有用途。 2.4.2 挖深垫浅法 这种方法就是用挖掘机械如推土机、水力挖塘机组，将塌陷比较深的区域再 挖深，形成水（鱼）塘，取出的土方充填塌陷浅的区域形成耕地，达到农业养殖 第 2 章 矿山废气地生态恢复技术 11 和农业种植并举的利用目标。它主要用于塌陷较深，有积水的中、潜水位地区。 因其操作简单、适用面广，经济效益高、生态效益显著，被广泛用于煤矿塌陷区 的复垦。 2.4.3 充填复垦法 这种方法是利用矿山附近的煤矸石、粉煤灰、露天矿剥离物等可供利用的充 填材料充填塌陷地复田。这种方法多用于有足够的充填材料且充填材料无污染， 可经济有效地防护治理的地区， 因其既解决了塌陷地复垦问题又解决了矿山固体 废弃物的处理问题，所以经济效益最佳。 2.4.4 直接利用法 对于大面积的塌陷地， 特别是大面积积水或积水很深的水域以及未确定塌陷 或暂难复垦的塌陷地，常根据塌陷地现状因地制宜地加以利用。 2.4.5 修整法 对于较干旱的地表无积水的塌陷地，可采用平整土地，改造梯田等修整法复 垦利用。 2.4.6 生态工程复垦 生态工程复垦就是将土地复垦工程技术与生态工程技术结合起来， 综合运用 生物学、生态经济学、环境科学、农业技术以及系统工程学等理论，运用生态系 统的物种共生物质循环再生等原理， 结合系统工程方法对破坏土地所设计的多层 次利用工艺技术，其目的是促使各生产要素的优化配置，实现物质、能量的多级 分层利用，不断提高其转化效率和生产力，获得较高的经济、生态和社会的综合 效益。这种方法目前正在实验推广，具有很大的发展前景 15-21。 2.5 矿山废弃地生态恢复措施与技术 2.5.1 土地复垦 采矿破坏的是土地资源、土壤资源、水资源，水资源与土地资源、土壤资源 是密切联系的，如径流、河流、地下水都与土地、土壤有关。然而，现代化的大 生产，在生产过程中破坏的土地面积可达数平方公里到几十、几百平方公里，地 貌改变、河流改道、植物群落消灭、土地不能利用、土壤无生产能力，极特殊的 河北工程大学硕士学位论文 12 可使土壤全部失去，所以造地、造土，即土地资源合理开发利用就成了矿山土地 复垦与生态重建的基础工程。 如果按目前“人增地减”的趋势发展下去， 至 2010 年我国将突破此危险点。 2.5.1.1 国内复垦现状 我国早在 20 世纪 60 年代就开展了矿山废弃地的复垦工作， 关于煤矿塌陷区 复垦状况有一些研究 22-24，关于复垦土壤对植物的影响也有研究25-26，而关于复 垦土地的管理和修复规律研究甚少。目前我国矿山废弃地的平均复垦率还很低， 复垦工作总体上还处于初期阶段。因此，在我国大力开展矿区废弃地的复垦工作 是当务之急。 淮北市采煤塌陷地的复垦率居全国第一，复垦工作经历了 70 年代的自发、 零星复垦阶段；80 年代前半期的试验复垦阶段；80 年代末到 90 年代，在淮海平 原治理工程的推动下，进入大规模整体规划、有序复垦阶段。1995 年 10 月淮北 市土地管理局组织制定了淮北市煤矿塌陷地复垦利用规划：中期规划（1995 2000）计划复垦土地 2260.5 hm2；远期规划（20012010）计划复垦土地 4164.2hm2。 不论土地复垦，还是生态重建，其根本是造地、造土。1988 年 11 月国务 院颁发的土地复垦规定对“土地复垦”一词的界定是：“土地复垦是指对在 生产建设过程中，因挖损、塌陷、压占等造成破坏的土地，采取整治措施，使其 恢复到可供利用状态的活动”。国内围绕矿区土地复垦的研究已渐成“热门”， 矿山、 土地、 农业等研究人员称其为 “土地复垦” ； 环保研究人员有时称其为 “土 地复垦”，有时称其为“生态建设”；生态研究人员原称其为“土地复垦”，现 在常称之为“生态恢复”或“生态重建”。虽然各类从事研究人员对其有不同的 称谓，方向也各有所侧重，但从近年研究和实施工程来看，其总目标逐渐在趋向 一致，趋向于更综合的生态问题。不论是生态恢复还是生态重建，现在都已经由 单纯的工程问题趋向于更高层次的生态问题，或应更明确地称之为复合生态问 题，故由土地复垦进展到生态恢复已不是研究人员对其名称的转移，而是人们对 客观事物的认识更深入、全面，更客观、现实的需要。 2.5.1.2 国外复垦现状 美国国土面积广阔，土地资源丰富，农用土地多，人均国土面积 4hm2左右， 耕地 0.79 hm2。美国各类矿山破坏土地 320 万 hm2，高于我国 210 万 hm2的估计 数。美国煤矿开采破坏占总数 85%左右，按复垦法规定，需边开采边复垦， 复垦率要求达 100%，现已达 80%以上 2728，远高于我国。 在英国，立法、执法严格，采矿后必须复垦，复垦资金来源明确，复垦成绩 第 2 章 矿山废气地生态恢复技术 13 显著。复垦后的土地用于农、林业，重新创造了一个合理、和谐、风景秀丽的自 然环境、露天矿采用内排法，边采边回填，再复垦，覆土厚 1.3 米（上表层为 0.3 米耕作层），复垦时注意地形、地貌，形成一个完美的整体。 2.5.1.3 土地复垦的主要模式 塌陷区复垦技术可分为充填复垦与非充填复垦两大类， 充填复垦主要用矿区 内原有废渣作充填物料，主要充填物料为煤矸石和较少的生活垃圾可供利用；在 有条件的矿区还可以用露天剥离废石充填复垦。其复垦模式主要有 29-31： (1) 浅层塌陷区挖塘造地模式：这种复垦模式主要采用“挖浅垫深” 的方 法，将造地与挖塘相结合。 (2) 煤矸石充填塌陷区营造基建用地模式： 这种模式是将煤矸石的堆放与塌 陷区的治理进行统筹安排，利用发热量较低的煤矸石作填料，直接填充塌陷区。 (3) 利用煤矸石、生产建材 这是一种针对煤炭生产过程中的固体废弃物而采取的较为特殊的复垦模式。 煤矸石的堆放不仅占地， 而且污染环境。 煤矸石除了可以用作填料充填塌陷区外， 还可以用作制砖和生产水泥的原料。 土地复垦按阶段划分为工程复垦和生物复垦。前者包括土壤重构和地表整 形，所用设备与采矿设备是相同的，应和采矿工程同时进行，把工程复垦内容与 采矿工艺和排土程序结合起来，使其纳入采矿计划之中。后者就是植被重建，包 括土壤改良、先锋植物和适宜树种的选择以及建立合理的植被配置模式。复垦土 地应因地制宜用于农、林、牧和渔业，与矿区城市土地利用总体规划相结合，自 然景观环境相协调，坚持社会、环境与经济效益统一的原则。为了保证矿区经济 的可持续发展 32，就必须恢复矿区经济结构的多元化，应该做好以下工作： (1) 加大力度对已毁土地进行恢复整治。由于矿山服务期满后，大面积的地 表塌陷已经处于稳定阶段，实施大规模的土地复垦条件已经具备； (2) 在土地复垦过程中，应结合矿区的综合条件，合理规划，统筹安排，努 力将以采矿业为主的产业结构向农、 林、 牧、 副、 养多元化产业结构过渡和调整； (3) 矿区生态恢复。在经过多年的开采后，矿山地区生态系统已经发生恶劣 的根本转变，新的生态系统还未完全形成，因此，应使矿区土地复垦和自然演替 有机结合，对矿区生态系统进行恢复，使矿区生态系统朝人类预期方向进行演化 （主要包括水文、植被、景观、人文、物种等的演化） ，使矿区处于可持续的生 态系统发展状态中。 矿山采空区进行土地复垦后， 土壤化学性质逐年恢复，若干年后土壤化学 性质将接近当地耕地的化学性质，土壤有机质、有效氮、速效磷、速效钾低于当 地耕地的肥力水平， ph 和盐分含量高于当地土壤， 复垦后土壤的肥力逐年提高、 河北工程大学硕士学位论文 14 ph 和盐分含量逐年降低， 恢复效果最好。粉煤灰充填和煤矸石充填复垦的土 地， 由于粉煤灰和煤矸石中碳含量高， 故有机质含量高于当地土壤， 其它养 分含量低于当地土壤， ph 和盐分含量高于当地耕地， 随着耕作时间的延长， 土 壤养分、酸碱性和盐分含量逐渐恢复， 但恢复效果不及挖深垫浅复垦的土地。 矿山采空区进行土地复垦所采用的方法对土壤化学性质恢复影响很大， 采 取挖深垫浅复垦的耕地土壤化学性质恢复快， 而粉煤灰充填和煤矸石充填复垦 的耕地土壤化学性质恢复较慢， 建议耕作时增加培肥， 以加速土壤恢复 33。土 地复垦对当地土壤修复具有极其重要的意义，应在实验区或规划区大力推广。 2.5.2 矿山废弃地基质改良 矿山废弃地造成生态破坏的根源是土壤因子的改变， 即废弃地土壤理化性质 的变坏、养分的丢失及土壤中有毒有害物质的增加。因此，矿山废弃地的基质改 良是其生态恢复最重要的环节之一。 2.5.2.1 化学改良法 对于有土壤层的废弃地，可以考虑用化学方法进行土壤改良。矿山尾矿及废 弃矿中均缺少植物生长必需的有机质、n、p、k 等物质。对富含碳酸钙及 ph 值 较高的废弃地，可利用适当的煤炭腐殖质酸物质进行改良。研究表明 34，施用低 热值的煤炭腐殖酸物质，仅仅靠干湿交替的土壤热化过程，就可以提高碱性土壤 中磷的供应水平，从而达到对土壤的改良作用。 还可以用化肥、有机废弃物、绿肥和固氮植物来改良土壤的营养状况。如适 量施用有机肥可以防止作物的汞污染，降低汞的迁移能力。莫测辉等 35将城市污 泥应用在矿山废弃地复垦中，研究表明，城市污泥及其堆肥是一种良好的有机肥 料和土壤改良剂，但在应用前必须对城市污泥进行检测及处理，重金属含量超标 的不能使用，避免加重废弃地的污染。 2.5.2.2 客土法 有些矿山废弃地（如废石堆）根本没有土壤层，必须在废弃地上先覆土后改 良。如果废弃地的毒性很大，必须在废弃地上面先铺一层隔离层（可以用压实的 粘土或高密聚酯乙烯薄膜）以阻挡有毒物质通过毛细管作用向上迁移，然后再覆 土。客土法的关键是寻找土源和确定覆盖的厚度与方式。为解决土源问题，有些 国家或企业要求，在采矿工程动工前，先把表层（30cm）及亚表层土壤取走并 加以保存，留待工程结束后放回原处。如果在废弃地上种植农作物或果树，为防 止有毒有害物质进入农作物或果树中，则覆土厚度应在 50cm 以上 35。覆土的方 式与厚度根据废弃地类型、特点及生态恢复的目标而定，一般覆土 510cm 即 第 2 章 矿山废气地生态恢复技术 15 可。 2.5.3 植被恢复 生态恢复的关键的是生态系统功能的恢复和合理结构的建立， 而生态系统的 各种功能是靠系统的各组成成份之间相互作用来实现的。因此，要恢复生态系统 的功能，必须恢复系统的非生物成份的功能，进行植被恢复及动物群落和微生物 群落的构建。 植被恢复是矿山废弃地生态恢复的关键环节， 是目前国际学术界研究的热点 问题之一，并且开始进入初步商业化阶段。植物恢复包括植物提取、植物固定、 植物挥发和根际过滤。就矿山废弃地恢复而言，植物固定是比较有应用前景的技 术。有越来越多的数据表明，通过有选择地种植一些耐性植物，辅以基质改良， 可加速矿山废弃地的生态恢复进程 36。 植物种类的选择应遵循以下几个原则：第一，矿山废弃地的水肥条件恶劣， 有毒有害物质的含量高，应选择对干旱、盐碱等有抵抗能力的、对有毒有害物质 耐受范围广的树种； 第二， 根据矿山废弃地的当地条件， 选择根系发达、 能固氮、 固土和有较快生长速度、枝繁叶茂、能尽快的长时间覆盖地面，有效地阻止风蚀 和水蚀的植物；第三，选择播种容易，种子发芽力强，苗期抗逆性强，易成活的 植物；第四，尽量选择当地优良的乡土树种作为先锋树种，也可以引进外来速生 树种；第五，选择树种时尽量兼顾生态效益和经济效益，那些能适应废弃地的极 端条件并且能自然定居的植物，应作为优先考虑的先锋树种。 种植固氮植物是经济效益与生态效益俱佳的土壤基质改良方法。据研究，固 氮植物每年每公顷可以固氮 50150kg。固氮植物可以是豆科的，也可以是非豆 科的。我国有 44 种非豆科固氮树种，包括胡颓子、沙棘属、赤杨属、杨梅属、 木麻黄属等。禾本科与茄科植物对铅锌矿渣具有较强的忍耐能力，许多一年生和 两年生植物，如白茅、辣蓼、铁线草等可以作为先锋植物选用。 2.5.4 土壤动物的作用 土壤动物在改良土壤结构、 增加土壤肥力和分解枯枝落叶层促进营养物质循 环等方面有重要的作用。同时，作为生态系统不可缺少的成份，土壤动物扮演着 消费者和分解者的双重角色。因此，在废弃地生态恢复中若能引进一些有益的土 壤动物，将能使系统功能更加完善，加快生态恢复的进程 35。 2.5.5 微生物修复技术的运用 微生物修复是指利用微生物的生命代谢活动减少土壤环境中有毒有害物的 河北工程大学硕士学位论文 16 浓度或使其完全无害化， 从而使受污染的土壤环境能够部分或完全地恢复到原始 状态的过程 37。矿山废弃地的生态恢复，还需要恢复废弃地的微生物群落，完善 生态系统的功能，才能使恢复后的废弃地生态系统得以自然维持。 可以考虑选择以下两方面的菌种：（1）抗污染的细菌。这些细菌有的能把 污染物质作为自己的营养物质，把污染物质分解成无污染物质，或者是把高毒物 质转化为低毒物质。 如在汞污染的河泥中， 存在一些抗汞微生物 （假单胞菌属等） ， 能把甲基汞还原成元素汞，降低了汞的毒害；（2）营养微生物。有的微生物不 仅能去除污染物，而且还能为群落的其他个体提供有利条件。有研究表明，在铅 锌矿尾砂库的生态恢复中，把根瘤菌接种到银合欢等豆科植物的根部，能促进根 瘤的形成，进而促进地上部分的生长，植株健壮。在有钼污染的地区接种 va 菌 根不仅有利于植物对磷的吸收，而且还有利于对钼的吸收，降低钼的污染 38。 2.6 小结 本章总结了矿山废弃地对周边地区环境的影响以及国内外目前比较可